Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochtemperaturspeicherbatterie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Solche Hochtemperaturspeicherbatterien, die aus elektrochemischen Speicherzellen auf der Basis von Alkalimetall und Chalkogen aufgebaut sind, werden in vermehrtem Maße als Energiequelle für Elektrofahrzeuge eingesetzt. Die bis jetzt bekannten Hochtemperaturspeicherbatterien der obengenannten Bauart arbeiten bei einer Temperatur von 350°C. Um Wärmeverluste innerhalb der Ruhepausen der Hochtemperaturspeicherbatterien zu vermeiden, sind diese von einer thermischen Isolierung umgeben. Diese wird durch ein doppelwandiges Gehäuse begrenzt, wobei der Raum zwischen den Wänden evakuiert und mit einem Isoliermaterial ausgefüllt ist. Der Innenraum der Isolierung dient zur Aufnahme der Speicherzellen. Um die Speicherzellen in der gewünschten Position halten zu können, sind Halterungen vorgesehen. Da die Speicherzellen während des Betrieb der Hochtemperaturspeicherbatterie gekühlt werden müssen, andererseits in den Ruhepausen der Batterie ggf. mit Hilfe einer Heizeinrichtung auf einer Mindesttemperatur zu halten sind, müssen die Halterungen so ausgebildet sein, daß jede Speicherzelle die erforderliche Heizung bzw. Kühlung erfährt. Bei den bis jetzt bekannten Halterungen ist es oftmals nicht möglich, die während des Betriebs der Hochtemperaturspeicherbatterie entstehende Wärme abzuführen. Ein anderes Problem ist die gleichmäßige Heizung der Speicherzellen während der Ruhepausen.
Aus der DE-A-37 17 266 ist eine Mehrzellenbatterie bekannt, die aus Lithium- oder Calcium-Thionylchloridzellen oder Lithium-Schwefeldioxidzellen aufgebaut ist. Im Störfall, kann es innerhalb der Batterie zu einer Temperaturerhöhung auf 200°C kommen. Um die hierbei entstehende Wärme von den Zellen abzuleiten, ist zwischen den Zellen ein Füllmaterial angeordnet. Dieses weist einen Schmelzpunkt zwischen 40°C und 150°C auf. Vorzugsweise wird als Füllmaterial ein natürliches oder synthetisches Wachs, Paraffin, Polyethylen, Teer oder ein Gemisch dieser Stoffe verwendet. Bei einer Temperatur oberhalb von 150°C ist das zwischen die Zellen gefüllte Material flüssig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochtemperaturspeicherbatterie zu schaffen, die eine sichere Halterung der Speicherzellen gewährleistet, und es gleichzeitig ermöglicht, daß jede Speicherzelle in der erforderlichen Weise gekühlt bzw. gewärmt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Durch das Einbetten der Speicherzellen in eine Vergußmasse, die nach dem Aushärten die geforderte mechanische Stabilität aufweist, wird eine Halterung für die Speicherzellen geschaffen, die auch unter extremen Bedingungen die Speicherzelle in der gewünschten Position hält. Die gleiche Wirkung zeigt ein grobkörniges Schüttgut, in welches die Speicherzellen eingebettet werden können. Dieses Schüttgut erlaubt eine direkte Kühlung der Speicherzelle. Es ist möglich, ein gasförmiges oder flüssiges Kühlmittel durch die Schüttmasse hindurchzuleiten. Dies geschieht vorzugsweise dort, wo Zwischenräume zwischen benachbarten Speicherzellen ausgebildet sind. Diese Zwischenräume sind ebenfalls mit Schüttgut ausgefüllt. Das Schüttgut bildet für das Kühlmittel, gleichgültig, ob es gasförmig oder flüssig ist, einen gleichgroßen hydraulischen Widerstand. Dadurch wird sichergestellt, daß durch alle Zwischenräume die gleiche Menge an Kühlmittel geleitet und somit eine gleichmäßige Kühlung der Speicherzellen erzielt wird. Zur Kühlung von Speicherzellen, die in eine Vergußmasse eingebettet sind, besteht die Möglichkeit, in den Zwischenräumen zwischen benachbarten Speicherzellen Latentwärmespeicher anzuordnen. Diese sind so ausgebildet, daß sie sich über die gesamte Länge des Zwischenraums erstrecken, und eine Substanz enthalten, deren Schmelzwärme etwas oberhalb der Arbeitstemperatur der Batterie liegt. Die Schmelzwärme dieser Substanzen kann zum Kühlen beispielsweise zur Kompensation der Verlustwärme der Speicherzellen verwendet werden. Die Ausbildung von Hochtemperaturspeicherbatterien mit Speicherzellen, die in Vergußmassen eingebettet sind, begünstigen die Verwendung solcher aufschmelzender Substanzen, da die Vergußmassen die Ausbreitung von Reaktionsprodukten aus defekten Speicherzellen wirkungsvoll einschränken. Damit ist die Gefahr von heftigen Reaktionen zwischen dem Speicherzellenmaterial und den Latentwärmespeichern deutlich reduziert. Gleichzeitig wird der Aufwand für die mechanische Fixierung, welche für die thermische Ankopplung der Latentwärmespeicher an die Speicherzellen notwendig ist, erheblich verringert. Die Gewichtszunahme der Hochtemperaturspeicherbatterie durch Latentwärmespeicher wird durch das Fehlen des Kühlmittels ausgeglichen. Erfindungsgemäß besteht die Möglichkeit, Speicherzellen, die in Vergußmassen eingebettet sind, auch direkt zu kühlen. Hierfür werden Kühlkanäle ausgebildet, welche an die Speicherzellen und an die Zwischenräume zwischen den Speicherzellen angrenzen. Ein solcher Kühlkanal wird beispielsweise durch eine Vertiefung im Gehäuse der Speicherzelle gebildet. Die Vertiefung erstreckt sich über die gesamte Länge der Speicherzelle. Durch eine Wand, die konvex in das Innere des Zwischenraums gewölbt ist, kann jeder Kühlkanal begrenzt werden. Diese konvex gewölbten Wände erstrecken sich ebenfalls über die gesamte Länge der Vertiefung. Eine mechanische Halterung erfahren diese konvex gewölbten Wände durch die Vergußmasse, die den übrigen Bereich der Zwischenräume ausfüllen. Speicherzellen, die in Vergußmassen eingebettet sind, können sowohl mit separat installierten Wärmetauschern als auch mit integrierten Wärmetauschern gekühlt werden. Beim Einsatz von integrierten Wärmetauschern werden Wärmetauscherrohre in die Zwischenräume zwischen benachbarten Speicherzellen angeordnet. Durch diese werden gasförmige oder flüssige Wärmeträger geleitet. Erfindungsgemäß besteht die Möglichkeit, diese Wärmetauscherrohre durch Kanäle zu bilden, die unmittelbar von der Vergußmasse begrenzt werden. Die Wärmetauscherrohre bzw. diese Kanäle in den Zwischenräumen werden an Sammel- und Verteilerräume angeschlossen, von denen aus die Wärmeträger durch die Rohre bzw. Kanäle geleitet werden. Die Verteilung der Wärmeträger kann mittels hydraulischer Widerstände gesteuert werden. Ein integriertes Kühlsystem mit integrierten Wärmetauscher vereinigt wesentliche Vorteile der direkten und indirekten Kühlung. Auf der einen Seite ist das Kühlsystem selbst geschlossen. Ein direkter Kontakt zwischen dem Wärmeträger und der Speicherzelle wird vermieden. Andererseits wird von der Speicherzelle abgegeben Wärme über die gesamte Länge der Speicherzelle abgeführt, was die vertikalen Temperaturgradienten der Speicherzellen vermindert. Die Wärmetauscher können an allen Begrenzungsflächen des Speicherzellenblocks bzw. der Zellmatrix, wie er auch genannt wird, angeordnet werden. Die Zellmatrix kann auch in mehrere Teile aufgespalten werden, um Wärmetauscher zwischen diesen Teilen anzuordnen. Es ist jedoch besonders vorteilhaft, die Wärmetauscher über und unter der Zellmatrix zu installieren, da praktisch nur so alle Speicherzellen den gleichen Abstand zum Wärmetauscher haben. Nur hiermit kann eine ebene Temperaturverteilung in der Zellmatrix erreicht werden . Erfindungsgemäß kann die Batterie so ausgebildet werden, daß die innere Wand der Isolierung, welche die Batterie begrenzt, gleichzeitig die äußere Begrenzungswand des Wärmetauschers bildet. Der Boden oder die Deckfläche der Zellmatrix, welche dieser Begrenzungswand gegenüber liegt, kann dann die innere Begrenzungswand des Wärmetauschers bilden. Um das vertikale Temperaturprofil in dem Speicherzellenblock und dessen thermische Ankopplung an den bzw. die Wärmetauscher zu verbessern, können Stäbe aus einem gut die Wärme leitenden Material in die Vergußmasse eingebettet werden. Die Stäbe verlaufen parallel zu den Speicherzellen, sind ebenso lang wie diese und sind zusätzlich direkt mit dem Wärmetauscher verbunden. Es ist möglich, Hochtemperaturspeicherbatterien, die für eine besonders hoher Dauerleistung ausgelegt sind, mit einem kombinierten System aus integrierter Kühlung mit separatem Wärmetauscher und integrierten Latentwärmespeichern auszurüsten. Das Aufheizen und das Aufrechterhalten der Ruhetemperatur der Hochtemperaturspeicherbatterien ist in allen Fällen über elektrisch betriebene Heizelemente möglich. Diese Heizelemente können in die Wärmetauscher integriert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
In Fig. 1 ist der Teilbereich eines Speicherzellenblocks 1B, auch Zellmatrix genannt, dargestellt, wie er innerhalb einer Hochtemperaturspeicherbatterie 1 angeordnet ist. Die Speicherzellen 2 sind schematisch dargestellt, und in eine ausgehärtete Vergußmasse 3 eingebettet. Die Vergußmasse wird erfindungsgemäß aus einer Mischung gebildet, die ein duroplastisches Harz und ein oder mehrerere Füllermaterialien umfaßt. Die mechanische Stabilität der Vergußmasse 3 ist so groß, daß die Speicherzellen 2 auch unter extremen Bedingungen in der gewünschten Position gehalten werden, und nicht aus dem Speicherzellenverband ausbrechen können. Wie eingangs bereits erläutert, müssen die Speicherzellen 2 einer jeden Hochtemperaturspeicherbatterie 1 während des Betriebs der Hochtemperaturspeicherbatterie 1 gekühlt werden. Handelt es sich bei der Hochtemperautspeicherbatterie um eine solche, die mit geringer Dauerleistung betrieben wird, so können erfingungsgemäß Latentwärmespeicher zur Kühlung verwendet werden. Wie anhand von Fig. 2 zu sehen ist, wird in jedem Zwischenraum 5, der zwischen jeweils 3 benachbarten Speicherzellen 2 verbleibt, ein Latentwärmespeicher 4 angeordnet. Dieser wird durch ein zylinderförmiges Gehäuse begrenzt, das an den Enden verschlossen ist. Die Länge der zylinderförmigen Gehäuse ist an die Länge der Speicherzellen 2 angepasst. Die Latentwärmespeicher 4 sind in den Zwischenräumen 5 mittig angeordnet und ebenfalls in die Vergußmasse 3 eingebettet. Die Latentwärmespeicher 4 sind vorzugsweise mit einem Material gefüllt (hier nicht dargestellt), dessen Schmelztemperatur etwas oberhalb der Arbeitstemperatur der Speicherzellen 2 liegt. Beispielsweise sind die Latentwärmespeicher 4 mit einer eutektischen LiCl/KCl Mischung gefüllt. Die Wärme, die zum Schmelzen dieses Materials erforderlich ist, wird den Speicherzellen 2 entzogen, wodurch diese gekühlt werden, bzw. deren Verlustwärme kompensiert wird. Fig. 3 zeigt wie ein Speicherzellenblock 1B in einer Hochtemperaturspeicherbatterie fixiert werden kann. Zunächtst werden die Speicherzellen 2 in einem Batteriekasten (hier nicht dargetellt) angeordnet und ein grobkörniges Schüttgut 3 eingebettet. Dieses besteht aus Quarzsand oder Aluminiumoxid. Die Korngröße des Schüttgutes 3 beträgt 0,5-2 mm. Verbleibende Hohlräume werden ebenfalls mit dem Schüttgut gefüllt. Zur Kühlung der Speicherzellen 2 wird ein Kühlmedium, das gasförmig oder flüssig ist, durch das Schüttgut 3 hindurch an den Speicherzellen 2 vorbeigeleitet. Wie Fig. 3 zeigt, kann das Kühlmedium über eine Verteilerplatte 24 dem Speicherzellenblock 1B zugeführt werden. Die Verteilerplatte 24 ist mit Öffnungen 24E versehen. Die Größe der Öffnungen 24E und ihre Verteilung auf der Verteilerplatte 24 wird durch die Menge des Kühlmittels bestimmt, die einer jeden Speicherzelle 2 zuzuführen ist, um eine ausreichende Kühlung derselben zu erreichen. Da das Schüttgut 3 grobkörnig ist, kann das Kühlmedium problemlos hindurchgeleitet werden. Durch eine gleichmäßige Körnung des Schüttgutes 3 wird überall ein gleichmäßiger hydraulischer Widerstand für das Kühlmedium ausggebildet, so daß hierdurch eine gleichmäßige Verteilung desselben auf alle Speicherzellen 2 erreicht wird.
Wird die Hochtemperaturspeicherbatterie 1 mit hoher Dauerleistung betrieben, so ist die Kühlung ihrer Speicherzellen 2 an diese Tatsache anzupassen. Dies bedeutet, daß eine intensivere Kühlung der Speicherzellen 2 erforderlich ist. Da Latentwärmespeicher und das direkte Durchleiten des Kühlmediums durch das Schüttgut für eine intensive Kühlung nicht geeignet sind, werden hierfür Kühlkanäle 6 ausgebildet, die unmittelbar an die Speicherzellen 2 angrenzen. Eine Ausführungsform dieser Kühlkanäle 6 zeigt Fig. 4. Die Speicherzellen 2 sind in gleicher Weise in das Schüttgut 3 bzw. die Vergußmasse 3 eingebettet, wie in den Figuren 1 und 3 dargestellt. Die Kühlkanäle 6 sind im Bereich der Zwischenräume 5 angeordnet, die zwischen jeweils 3 benachbarten Speicherzellen 2 entstehen. Zur Ausbildung dieser Kühlkanäle 6 weist jede Speicherzelle 2 in ihrem Gehäuse 2G eine schalenförmige Vertiefung 6S auf. Diese erstreckt sich über die gesamte Länge der Speicherzelle 2. Um eine zweite Begrenzung eines jeden Kühlkanals 6 bewirken, ist eine konvex gewölbte Wand 6W vor jeder schalenförmigen Vertiefung 6S angeordnet. Diese Wand 6W erstreckt sich ebenfalls über die gesamte Länge der Speicherzelle 2. Durch das Ausfüllen des Zwischenraumes 5 mit Schüttgut 3 bzw. der Vergußmasse 3 wird bewirkt, daß die Wände 6W in der gewünschten Position gehalten werden. Hiermit wird ein Abschluß der Kühlkanäle 6 zum übrigen Zwischenraum 5 hin gewährleistet. Die Verteilung des Kühlmittels erfolgt über Sammmel- und Verteilerräume wie sie in Fig. 5 dargestellt sind. An der Unterseite des Speicherzellenblocks 1B ist wenigstens ein Verteilerraum 8 angeordnet, mit dem die Kühlkanäle 6 in Verbindung stehen. In ihn wird das Kühlmittel von außen eingeleitet und über die Kühlkanäle 6 an den Speicherzellen 2 vorbeigeführt. Über dem Speicherzellenblock 1B befindet sich ein Sammelraum 9, der das aus den Kanälen 6 ausströmende Kühlmittel aufnimmt. Von dem Sammelraum 9 wird das Kühlmittel wieder aus der Hochtemperaturspeicherbatterie 1 nach außen geleitet. Fig. 6 zeigt eine Hochtemperaturspeicherbatterie 1, innerhalb derer ein Speicherzellenblock 1B angeordnet ist. Die Kühlung der Speicherzellen 2 erfolgt über einen oder mehrere Wärmetauscher 11. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist nur ein Wärmetauscher 11 vorgesehen. Dieser ist auf der Unterseite des Speicherzellenblocks 1B angeordnet. Falls es die Gegebenheiten erfordern, kann auch ein wieterer Wärmetauscher (hier nicht dargestellt) über dem Speicherzellenblock 1B angeordnet werden. Weitere Wärmetauscher können, falls notwendig, an den seitlichen Begrenzungsflächen des Speicherzellenblocks 1B angeordnet werden. Die Hochtemperaturspeicherbatterie gemäß Fig. 6 wird von einem äußeren und einem inneren Gehäuseteil 1A,1I begrenzt. Die Abmessungen des inneren Gehäuseteils 1I sind kleiner gewählt, so daß zwischen den beiden Gehäuseteilen 1A und 1I ein Raum 10 entsteht, der evakuiert ist, und mit Isoliermaterial 10I ausgefüllt ist. Zur Kühlung der Speicherzellen 2 bzw. bzw. des Speicherzellenblocks 1B ist ein Wärmetauscher 11 vorgesehen, der mit dem Boden des Speicherzellenblocks 1B bzw. den Speicherzellen 2 in wärmeleitendem Kontakt stehen. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der innere Gehäuseteil 1I im Bereich seines Bodens doppelwandig ausgebildet. Zwischen diesem doppelten Boden 20 ist der Wärmetauscher 11 angeordnet. Falls die Speicherzellen 2 des Speicherzellenblocks 1B in eine Vergußmasse eingebettet sind, besteht die Möglichkeit, daß der Wärmetauscher 11 unmittelbar an die Unterseite dieses Speicherzellenblocks 1B angrenzt. Der Wärmetauscher 11 wird durch Beutel 14 gebildet,die durch Metallfolien gebildet werden. Diese sind so ausgebildet, daß sie von einem Kühlmedium durchströmt werden können. Wie in Figur 6 dargestellt, sind an den Metallfolien Zuleitungen 15 für das Kühlmittel befestigt. Wird das Kühlmittel (hier nicht dargestellt) durch die Beutel 14 gepumpt, so legen sich die Beutel 14 fest an die Unterseite des Speicherzellenblocks 1B an. Hierdurch wird ein enger wärmeleitender Kontakt zwischen den Speicherzellen 2 und dem Wärmetauscher 11 erzielt. Erfindungsgemäß kann die innere Begrenzungsfläche 20I des inneren Gehäuseteils 1I auch als Lochblech ausgebildet werden (hier nicht dargestellt). Werden die Beutel 14 (wie oben beschrieben) von dem Kühlmedium durchströmt, so werden sie gegen das Lochblech gepreßt. es wird hierbei ebenfalls ein enger wärmeleitender Kontakt zwischen dem Wärmetauscher 11 und dem Speicherzellenblock bzw. den einzelnen Speicherzellen 2 ausgebildet. Erfindungsgemäß können solche Wärmetauscher 11 auch über den Speicherzellenblock 1B (hier nicht dargestellt) in entsprechender Weise installiert werden. Die hier beschriebene Ausführungsform der Wärmetauscher 11 und die Ausbildung eines engen Kontakts der Wärmetauscher mit den Speicherzellen 2 ist nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr umfaßt sie alle Möglichkeiten, mit den ein enger Kontakt zwischen Wärmetauschern und Speicherzellen erreicht wird.
Um das vertikale Temperaturprofil in dem Speicherzellenblock 1B und die thermische Ankopplung der Wärmetauscher an die Speicherzellen 1B zu verbessern, werden Stäbe 16 aus einem gut leitenden Material, vorzugsweise aus Kupfer, in die Vergußmasse eingebettet. Diese Stäbe 16 stehen in direktem Kontakt mit den Wärmetauschern bzw. dem Wärmetauscher 11.
Erfindungsgemäß besteht die Möglichkeit, die Hochtemperaturspeicherbatterien, welche für eine besonders hohe Dauerleistung vorgesehen sind, mit einem kombinierten System, bestehend aus indirekter Kühlung, einem oder mehreren separaten Wärmetauschern und zusätzlichen zwischen den Speicherzellen angeordneten Latentwärmespeichern auszurüsten. Um sicherzustellen, daß in den Ruhepausen der Hochtemperaturspeicherbatteren die erforderliche Mindesttemperatur erhaltenbleibt, können beispielsweise in den bzw. die Wärmetauscher 11, wie in Fig. 6 dargestellt, Heizelemente 17 integriert werden, die dann für die erforderliche Wärmezufuhr sorgen.